4.4 冷挤压工艺计算实例

1.汽车活塞销

汽车活塞销如图4-4所示，材料为20钢或20Cr钢。这里主要讨论活塞销冷挤压的工艺方案。

图4-4 汽车活塞销

（1）冷挤压工艺方案的拟订 首先要把活塞销零件图变成适合于冷挤压工艺的冷挤压件图。活塞销内孔（φ14.6mm）是自由公差，所以其精度要求可以由冷挤压工艺来满足，因此可不必留出切削余量。而外圆表面粗糙度Ra要求为0.1μm，尺寸精度要求是0.01mm，冷挤压很难满足，所以外圆留出磨削余量0.5mm（双边），在冷挤压工序以后用磨削方法将外圆磨出。

冷挤压中连皮的位置有两种方案，即将连皮放置在挤压件的底部的第一方案（见图4-5）和将连皮位置放置在挤压件的中部的第二方案（见图4-6）。

如果选用图4-5的方案，零件反挤压的断面缩减率为

图4-5 第一方案连皮在底部（不合理）

图4-6 第二方案连皮在中部（合理）

这样的变形程度无论对20钢或20Cr钢都是可行的。但这仅是从变形程度来看，如果从反挤压凸模的稳定性来考虑就不合理。因为凸模太细长，就会产生纵向弯断。为了防止细长凸模的折断，一般规定在反挤压钢零件时，凸模工作部分的长度和直径的比值（即所谓长径比）不应超过3.0（见图4-7），即

l_max/d≤3.0

在采用第一方案时，凸模的最小长度应为70mm，故凸模的长径比为

l/d=70/14.6≈4.8＞3.0

这样的凸模长径比数值太大，在冷挤压过程中凸模容易引起弯折。因此，如果采用第一方案，虽然变形程度没有超出许可范围，但真正要实现冷挤压是很困难的。

如果采用图4-6所示的第二方案，将连皮放在中间，这样就比较巧妙。但这样就需要采用上、下两个凸模，每个凸模长度大大减小，从而保证了凸模稳定性，故生产中采用此方案。冷挤压后将连皮去掉。

图4-7 反挤压凸模的长径比

（2）连皮的位置 采用图4-6所示的方案挤压，希望连皮的位置保持在中间。但在实际上要保持在中间并不容易，因为一般的冷挤压机都是单动作立式结构。故在挤压时金属总是向上流动得快，向下流动得慢。这样就使得l₁＞l₂（见图4-8）。上凸模向下运动推动毛坯，使金属向上、下凸模与凹模筒壁之间的间隙流动，而下凸模与凹模筒是不动的，由于相对运动使各部分之间产生的摩擦导致的效果不同，就使金属向上和向下流动速度产生了差异，故连皮一般不会保持在中间位置。为了使连皮位置能保持在中间，可以应用改变凸模前端的几何形状以改善上、下流动的不均匀性，如图4-8所示。经试验后选取上凸模锥角α₁为160°，下凸模锥角α₂为126°。这样就使得金属向下流动比向上流动容易些，从而抵消了前述流动的差异，使连皮位于中间位置。

2.壳体

壳体冷挤压件如图4-9所示。最初设计的工艺流程如下：下料→镦粗→以反挤压为主的复合挤压→正挤压→整形，如图4-10所示。

图4-8 活塞销上下两孔锥角不同

图4-9 壳体冷挤压件（材料DT5）

在试制过程中曾出现以下两个问题：

1）在以反挤压为主的复合挤压（见图4-10c）时，出现了内孔凹槽现象（见图4-11）。出现这种现象的主要原因是由于毛坯锥角与凹模锥角不一致，产生了环状锥形间隙c（见图4-12）。挤压时又填满间隙带，因而在内孔留下了环槽。

图4-10 最初设计的工艺流程

a）下料 b）镦粗 c）复合挤压 d）正挤压 e）整形

图4-11 内孔凹槽

图4-12 环形间隙带

图4-13 底部弧形

2）正挤压（见图4-10d）后底部呈弧形（见图4-13），这是由于正挤压时底部参与塑性变形造成的。

为了纠正上述缺陷，将工艺流程修改成如图4-14所示，即：下料→顶成形→以反挤压为主的复合挤压→正挤压→整形。

预成形（见图4-14b）时，使孔口呈70°，其目的是使外形与凹模尺寸更易一致。在以反挤压为主的复合挤压（见图4-14c）时，由于采用了预成形工序，避免了挤压后的内孔凹槽现象。

在图4-14d所示的正挤压时，底部只作刚性平移，不再参与塑性变形，因而挤压后挤压件底部是平的。这样，壳体件挤压工艺获得了成功。

图4-14 修改后的工艺流程

a）下料 b）预成形 c）复合挤压 d）正挤压 e）整形

3.弹体

弹体挤压件如图4-15所示，材料为S15A（低硅铝镇静钢，碳含量与15钢相当）。这个零件的特点是壁厚和直径沿轴向不一致。主要工艺流程图如图4-16所示。

全部工艺流程为：蓝脆下料→毛坯退火→磷化处理→皂化处理→整形→退火→磷化处理→皂化处理→复合挤压→磷化处理→皂化处理→变薄拉深→齐口→内裂检查→收口→检验。

现分别说明如下：

（1）整形 下料后，因毛坯不够平整，为了提高凸模寿命，保证产品质量，首先进行整形。该工序所得的半成品外径比复合挤压凹模的圆柱部分孔径小0.1mm。

图4-15 弹体挤压件

注：涂黑部分为后续切削部分材料。

（2）复合挤压 复合挤压时，如凹模上口部是圆筒形，挤压过程中当金属流向口部时断面变小，阻力很小，会使挤压力迅速上升，可能造成模具断裂。因此，将凹模上口部改为有3°8′的锥度，这样在挤压过程中，金属流向口部时，由于外圆没有阻力，便可以大大降低挤压力，提高模具寿命。反挤压深度不大于反挤压凸模工作直径的2.5倍（为了保持凸模的稳定性）。必须选择适当变形程度，以便在变薄拉深后能满足产品力学性能要求。

（3）变薄拉深 该工序主要对上部内孔孔径成形。目的是使弹体毛坯得到最终的壁厚与长度，同时使零件冷作后具有要求的产品力学性能。

（4）收口 本道工序的变形量极小，基本上是纯收口变形。由图4-16f可见，在收口时可能镦粗部分属于设计工艺时决定最后机械加工部分。收口工序系弹体最后成形，决定零件的尺寸及其公差等级，因此，模具采用上、下凹模模口直接导向。

图4-16 弹体变形工序流程图

a）下料 b）整形 c）复合挤压 d）变薄拉深 e）齐口 f）收口

4.带隔层的方形罩

带隔层的方形罩（材料为纯铝）如图4-17所示。其壁厚为0.6mm，底厚为0.6～1.0mm。该零件底部六个方格的中心各有高1.1mm、直径φ6.6mm的凸起部分，这样的零件用其他加工方法比较困难。

图4-17 带隔层的方形罩

a）毛坯 b）挤压件

（1）工艺分析 这个有隔层的底部有六个带孔凸起的方形杯形件。其壁厚为0.6mm，底厚为0.6～1.0mm，可以采用反挤压方法加工。其反挤压变形程度为

式中 A₀、A₁——毛坯、零件（成形部分）的横截面积。

对纯铝来说，变形程度86%的反挤压是不成问题的。因此，底部六个带孔的凸起部分完全可以一次挤压出来。

（2）模具工作部分的结构设计 图4-17所示零件带有隔层，因此，在凸模上应当有相应的凹槽，以便挤压时金属可向凸模的凹槽内流动，构成零件的隔层。开始试验时曾把凸模作成整体式，铣出凹槽。在反挤压时，六个“脚”很易折断。后来改成如图4-18所示的分体式镶拼凸模形式，凸模由六块组合镶拼而成。为使凸模牢固地固定在上模板上，凸模的上端部带有2°～3°的斜度。采用这种带斜度的固定凸模方法，可以保证凸模在工作时的稳定性。此外，凸模装配在模板上时，要有足够的过盈量，为此在凸模未压入前，要求凸模比凸模固定板高出5～6mm；为了防止凸模压入后固定板产生变形，固定板的厚度不宜小于25mm。固定板的外形尺寸也应适当地放大，使凸模在工作时更为稳定。

在设计凸模时，应注意中间隔槽不能设计得太深，一般凸模上隔槽的深度为零件隔层高度再增加2～3mm，如图4-18所示；否则槽太深，会影响凸模的稳定性，使反挤出的零件在隔层上发生破裂，像在隔层上开窗口一样。

（3）带隔层方形零件反挤压时的金属流动 当挤压这类零件时，外层金属流动较快，而中间隔层部分金属流动较慢，高度也显得低些。挤压一个两格的带隔层方形零件时，中间隔层流动较慢的情况如图4-19所示。

图4-18 分体式镶拼凸模

图4-19 中间隔层金属流动较慢情况

图4-20 三个方格的薄壁零件

由于金属流动在外层和隔层时的速度不同，往往由于附加拉应力而使壁与壁部分之间裂开。流速不同的原因是，由于凹模底部四周外框处有圆角过渡，而凸模四周同样有圆角，挤压时金属向上流动较易；隔层部位只有凸模有圆角过渡，凹模是平底，使挤压时金属向上流动阻力较大。此外，零件隔层的金属，来自两个相反的方向，在流动过程中互相冲击，这种冲击阻力也将影响隔层金属顺利向上流动。

为了解决外框与隔层金属流速不一致的问题，在允许更改零件设计的前提下可采用如下措施。

1）在凸模工作端面上，近隔层的两端给予一定的斜度，如图4-20所示。该凸模端部采用3°的斜度。

2）使零件隔层的壁厚比外框的壁厚稍厚一些。该零件使壁厚大约相差0.05～0.1mm。

3）有意将凸模工作带设计成不等长度。该零件隔层处的凸模工作带长度为外框处凸模工作带的一半。

4）在隔层转角处，凸模工作部分的圆角半径适当放大。该零件在隔层处凸模工作部分圆角半径为1.5mm，而外框处为1.0mm。